金属材料科学工程固态相变理论1.pdf

固态相变：金属和陶瓷等固态材料在温度和压力改变时，其内部组织或结构会发生变化，即

发生从一种状态到另一种状态的改变，这种转变称为固态相变。按热力学分类：一级相变：

相变时新旧两相的化学势相等，但化学势的一级偏微熵不等的相变称为一级相变;二级相

变：相变时新旧两相的化学势相等，且化学势的一级偏微熵也相等，但化学势的二级偏微熵

不相等的相变称为二级相变。按平衡状态图分类：平衡相变指在缓慢加热或冷却过程中所发

生的能获得的符合平衡状态相图的平衡组织的相变。主要有同素异构转变、多形性转变、平

衡脱溶沉淀、共析相变、调幅分解、有序化转变。非平衡相变:伪共析相变、马氏体相变、

贝氏体相变、非平衡脱溶相变按原子迁移情况分类：扩散型相变：相变时，相界面的移动

是通过原子近程或远程扩散而进行的相变称为扩散型相变。基本特点是：①相变过程中有原

子扩散运动，相变速率受原子扩散速度所控制；②新相和母相得成分往往不同；③只有因新

相和母相比容不同而引起的体积变化，没有宏观形状改变。非扩散型相变：相变过程中原子

不发生扩散，参与转变的所有原子的运动是协调一致的相变称为非扩散型相变。一般特征是：

①存在由于均匀切变引起的宏观形状改变，可在预先制备的抛光试样表面上出现浮突现象；

②相变不需要通过扩散，新相和母相的化学成分相同；③新相和母相之间存在一定的晶体学

位向关系；④某些材料发生非扩散相变时，相界面移动速度极快，可接近声速。共格界面：

若两相晶体结构相同、点阵常数相等、或者两相晶体结构和点阵常数虽有差异，单存在一组

特定的晶体学平面使两相原子之间产生完全匹配。此时，界面上原子所占位置恰好是两相点

阵的共有位置，界面上原子为两相所共有，这种界面称为共格界面。当两相之间的共格关系

依靠正应变来维持时，称为第一类共格；而以切应变来维持时，成为第二类共格。半共格

界面：半共格界面的特点：在界面上除了位错核心部分以外，其他地方几乎完全匹配。在位

错核心部分的结构是严重扭曲的，并且点阵面是不连续的。非共格界面：当两相界面处的原

子排列差异很大，即错配度δ很大时，两相原子之间的匹配关系便不在维持，这种界面称为

非共格界面；一般认为，错配度小于0.05时两相可以构成完全的共格界面；错配度大于0.25

时易形成非共格界面；错配度介于0.05～0.25之间，则易形成半共格界面。界面能的主要

因素：（1）两相界面上原子排列的不规则性将导致两相界面能升高；（2）新旧两相化学成分

的改变引起的化学能的改变。弹性应变能（1）金属固态相变时，因新相和母相的比容不同

可能发生体积变化，导致弹性应变能增大。几何形状对因比容差而产生的应变能的影响：新

相呈球状时应变能最大，呈圆盘（片）状时应变能最小，呈棒（针）状时应变能居中。（2）

两相界面上的不匹配也会使弹性应变能增大。金属固态相变时的相变阻力包括界面能和弹

性应变能。当界面共格时，可以降低界面能但使弹性应变能增大。当界面不共格时，盘状新

相的弹性应变能最低，但界面能较高；而球状新相的界面能最低，但弹性应变能却最大。固

态相变时究竟是界面能还是弹性应变能起主导作用取决于具体条件。晶体缺陷的影响：金

属固态相变时新相晶核总是优先在晶体缺陷处形成。因为晶体缺陷是能量起伏、结构起伏和

成分起伏最大的区域。在这些区域形核时：1原子扩散激活能低，扩散速度快。2相变应力

容易被松弛。3位错消失释放的部分能量可作为克服形成新相界面和相变应变所需的能量。

4位错依附在新相界面上，构成半共格界面中位错的一部分，结果也会使系统自由能降低。

共格、半共格界面的长大机制为台阶机制、切变机制；非共格界面的长大机制为界面原子的

扩散。新相的长大速度取决于相界面的移动速度，即向母相的迁移速度。新相的长大分为两

种：一是新相形成时无成分变化，只有原子的近程扩散；二是新相形成时有成分变化，新相

长大需要溶质原子的长程扩散。临界冷却速度：在连续冷却中，使过冷奥氏体不析出先共析

铁素体（亚共析钢）或先共析渗碳体（过共析钢高于Acm点的奥氏体化）以及不转变为珠光

体或贝氏体的最低冷却速度。临界淬火速度：在连续冷却时，使过冷奥氏体不发生分解，

完全转变为马氏体（包括残余奥氏体）的最低冷却速度。代表钢件淬火冷却形成马氏体的能

力，是决定钢件淬透层深度的重要因素，也是选取钢材和正确热处理工艺的重要依据之一。

奥氏体化：为了使钢件经热处理后获得所需要的组织和性能，大多数热处理工艺都需要将钢

件加热至相变临界点以上，形成奥氏体组织，称之为奥氏体化。完全奥氏体化温度在Acm

以上，不完全在A1以上Acm以下。奥氏体的组织和结构